CN1318764C

CN1318764C - 轴流风扇

Info

Publication number: CN1318764C
Application number: CNB2003101028909A
Authority: CN
Inventors: M·T·克罗克
Original assignee: Intel Corp
Current assignee: Intel Corp
Priority date: 2003-04-21
Filing date: 2003-10-21
Publication date: 2007-05-30
Anticipated expiration: 2023-10-21
Also published as: TWI250252B; ATE518062T1; WO2004094836A1; TW200422525A; EP1616102A1; US20040208746A1; EP1616102B1; US6902377B2; CN1540170A

Abstract

作为风扇组件的一部分，风扇叶轮设计用于在使用期间增大进气和排气。风扇叶轮对风扇叶片采用了特殊的翼型形状，以使外界空气显著地运动。使用较低的恒定叶片角和重叠的叶片来提高叶片的升力，并因此提高了质量流量和出口压力。从更平滑的风扇曲线中可以清楚，消除了叶片失速，从而实现了更有效的操作。叶片扫描角被最优地设置成可控制外界空气的径向流动特性。在风扇组件中去除了外壳侧壁，以便消除寄生阻力并改善穿过风扇的空气运动。

Description

轴流风扇

技术领域

本发明涉及用于电子冷却环境中的冷却风扇，更具体地涉及没有进气限制的高性能风扇。

背景技术

风扇是由电动机带动的空气泵，其可产生一定压力下的空气的体积流动。称为叶轮的风扇的旋转部分包括具有辐射状叶片的轮毂，其可转换电动机的扭矩以提高轮毂上的静压力。增大的静压力提高了空气质点的动能，使得它们可运动。因此，风扇对空气运动和通风来说是有用的。

风扇具有多种形式。轴流风扇包括可旋转以使大量空气在低压下运动的叶轮。空气沿平行于风扇叶片轴线的方向运动。轴流风扇可产生高速气流且生产成本较低，但只能用于低压环境下。另外，当外界条件不利时，例如在空气不足或气流被阻塞如处于管道系统中时，轴流风扇的噪音较大。

也称为鼓风机的离心式风扇也包括带有径向延伸的叶片的旋转板，然而鼓风机采用离心力来使空气运动。来自鼓风机的气流一般垂直于叶片轴线，并处于比轴流风扇更低的流速下。离心式风扇的生产成本高于轴流风扇，并通常在轴流风扇压力的四倍左右的压力下工作。

虽然风扇具有多种形式，然而高质量的风扇可更安静且更有效地工作。优良质量的风扇可包括用于使叶轮更平滑地运转的球轴承，并最好具有叶片和风扇外壳之间的滑动配合以保证在工作时不会发生泄漏。精心的制造，例如保证各叶片在大小、重量和结构方面均相匹配也可提高风扇的效率。

由风扇传送的气流量与风扇的结构和设置有关。风扇叶片的数量和长度是很重要的，风扇距其它物体的距离和风扇电动机的速度也很重要。归根结底，风扇效率由风扇叶片的设计和排列决定。

基于处理器的系统如台式计算机会产生大量的热量。这些系统通常包括用于电源、硬盘驱动器的风扇，以及一个或多个置于会发热的微处理器上的散热器。令人惊讶地是，很少有人关注用于散热的风扇叶片的设计。基于处理器的系统内的进气限制和对更有效的散热器的不断增长的需求使得这种系统内的风扇设计受到极大的关注。

发明内容

因此，需要一种风扇组件，其中可提高能够被吸入到风扇内的空气体积以及从风扇中排出的空气量。

本发明提供一种风扇叶轮，包括：圆柱形轮毂；和整体地连接在所述轮毂上并从所述轮毂中延伸出来的叶片，所述叶片包括有翼型形状的截面，后缘和倒圆的前缘，其中所述前缘重叠在相邻叶片的后缘上，其中，所述后缘比所述前缘长50％左右。

根据这里介绍的一些实施例，公开了一种可提高使用期间的吸气和排气的风扇叶轮。叶轮采用了翼型形状以对周围空气有效地施加动量。从采用了所公开的叶轮的风扇中排出的空气处于比相当尺寸的现有技术风扇所传送出的更高的压力下。

风扇叶轮对风扇叶片采用了特殊的翼型形状，以使外界空气显著地运动。使用翼型形状和重叠的叶片提高了叶片的升力，并因此提高了质量流量和出口压力。从相对现有技术的风扇来说风扇叶轮具有更平滑的风扇曲线中可以清楚，叶片失速被消除。叶片扫描角被最优地设置成可控制外界空气的径向流动特性。在风扇组件中去除了外壳侧壁，以便消除寄生阻力并改善穿过风扇的空气运动。

附图说明

图1是根据本发明的一些实施例的风扇叶轮的顶视图；

图2是图1所示风扇叶轮的立体图；

图3A和3B是根据现有技术的翼型的图；

图4A-4C是根据现有技术的NACA翼型的图；

图5是根据现有技术的风扇曲线的图；

图6是图1所示风扇叶轮和现有技术风扇的风扇曲线的比较图；

图7是重叠在根据现有技术的图4所示现有技术的风扇曲线上的RPM与CFM的比较图；

图8是重叠在图1所示的风扇叶轮的风扇曲线上的RPM与CFM的比较图；和

图9是包括有轴向和离心式气流线的图1所示风扇叶轮的立体图。

具体实施方式

在下述详细的描述中将参考附图，附图通过图示显示了可实施本发明的一些具体的实施例。然而应当理解，本领域的技术人员在阅读了此公开后可以容易地构思出其它的实施例。因此，下述详细的描述并不起限制作用，本发明的范围由权利要求限定。

在图1和2中分别显示了风扇叶轮100的顶视图和立体图。叶轮100包括多个设置在轮毂14周围的叶片10。为了更好地理解叶片的设置，在图1中叶片的应当为虚线的其它隐藏边显示为可见。

叶轮100的轮毂14为圆柱体，叶片10连接在其上。叶片上最接近轮毂的部分称为叶根58，其在轮毂14的圆柱壁上延伸。叶片上最远离轮毂的部分称为叶尖68。如图2所示，叶根58重叠在轮毂14的底部上。

轮毂14在一端被端盖30所封住，端盖30是平的圆形板，其与轮毂的顶部横向地相连。设于端盖30的中心处的叶片轴12可以是与端盖30垂直的刚性杆。在转动叶片轴12时风扇叶轮100旋转。叶片轴通常由电动机(未示出)带动。

叶片10具有前缘22、后缘24、重叠部分18和叶片扫描角16。前缘22是叶片在前进气区域78中首先接触外界空气的部分。后缘24是叶片在后排气区域88中最后接触外界空气的部分。

叶片几何形状

风扇叶轮100设计成可比典型的风扇叶轮更有效地工作。叶片外形被优化以在预定的速度或每分钟转速(RPM)的范围下工作。叶片扫描角被优化地设置成可控制外界空气的径向流动特性。翼型设计和叶片10的角度或叶片角设计成可使风扇叶轮100在特定的工作条件下最佳地操作。

变化的截面厚度

与叶片全部处于均匀厚度的典型风扇叶轮相比，风扇叶轮100的叶片10具有变化的截面厚度。特别是，叶片10的截面表明，叶片10具有翼型形状。翼型是设计成可使在其周围流动的空气产生有效运动的表面。翼型通常用于描述机翼的截面，其一般设计成可产生升力。更广泛地说，翼型能有效地控制其周围的空气流动。翼型的形状会影响在翼型上方和下方流动的空气的速度。翼型形状的叶片可减少气流紊流，增大有效冲角，并且减少与声级有关的问题。翼型特性将在下文中更详细地讨论。

光滑的前缘

除了具有翼型形状之外，叶片10还具有倒圆的或光滑的前缘22。此光滑前缘可减小叶片阻力，这可提高叶轮100的效率。另外，与无此特征的叶片相比，带有光滑前缘的叶轮叶片可产生更小的噪音。

下凹叶片

在从前缘22处看去时，风扇叶轮100的叶片10是下凹的，以便将空气朝向风扇叶轮的内侧抽吸。叶片的杯形提供了可提高被径向和轴向地拉动的空气吸入量的收集效应。与典型的风扇叶轮相比，更大量的抽吸空气使得叶轮100所排出的量更大。

来看图1，在空气从后方进入到风扇叶轮100中时，进气被描述为轴向的。在空气从侧面进入到风扇叶轮中时，进气被描述为径向的。风扇叶轮100在工作中同时利用了轴向和径向的进气。

恒定的叶片角

叶片10具有恒定的或几乎恒定的叶片角。叶片角通过连接叶片的前缘和后缘之间的连线(称为弦)来测量，在轮毂14水平地放置时此线与水平面相交。在图2中显示了叶片角36。在一些现有技术的风扇叶轮中，叶片角在从叶根到叶尖的径向上变化，这样可以简化制造和/或产生均匀的轴向流动。叶片可在从叶根到叶尖上扭曲，使得叶尖处的叶片角不同于叶根处的叶片角。相反，叶根58和叶尖68处的风扇叶轮100的叶片角基本上相似或基本上恒定。换句话说，风扇叶轮100的叶片10不会在从叶根58到叶尖68上扭曲。

后缘比前缘长50％

叶片角36在从叶根到叶尖上的恒定性使得后缘24比前缘22大致长50％。这显著地增大了叶片面积，使得风扇叶轮100可以更大的升力、更高的质量流量和更高的出口压力来工作。

较低的叶片角

此外，叶片角36相对于现有技术的风扇叶轮来说较低。叶片角36可在20到50度之间，最好是在30到40度之间。在一些实施例中，叶片角36为40度。在一些其它的实施例中，叶片角36为30度。

重叠叶片

在风扇叶轮100中，当从叶片轴12的方向来看风扇叶轮时，叶片表面是重叠的，如图1所示。现有技术的风扇叶轮通常设计成在从叶片轴12的方向来看时叶片不重叠。这使得叶轮100在制造期间(通常采用注塑模制)可被轴向地拉出，简化了注塑模具。叶轮100中存在着叶片重叠使得叶片角保持恒定，增大了叶片的表面积，代价是注塑模具稍微复杂一些。

叶片扫描角

除了具有一个叶片的前缘22重叠在相邻叶片的后缘24上的重叠部分18之外，叶片10的叶片扫描角16也可变化。

在图1的顶视图中，对于给定叶片10来说，叶尖68在旋转方向50上前于或先于叶根58。因此，叶片10“向前扫描”。叶片扫描角16大于90°但小于180°。向前扫描的三角形状突出了叶尖68，使得空气体积被更均匀地整体吸入，因此风扇叶轮100的紊流操作更少。

或者，叶片10可定位成使得没有向前扫描。换句话说，叶尖68在旋转方向50上并未先于叶根58。相反，前缘22基本上正交于轮毂14而延伸，使得叶片扫描角16约为180°。在这种结构中，叶片10称为“无扫描”。

作为另一选择，叶片10可定位成使得叶根58在旋转方向50上先于叶尖68。叶片扫描角16大于180°。因此叶片10“向后扫描”。风扇叶轮100的叶片可向前扫描、向后扫描或无扫描，如叶片扫描角16所示。

翼型特性

如上所述，风扇叶轮100的叶片10为翼型。在图3A和3B中显示了翼型。所讨论的翼型的几项有用的特征如下：在风扇叶轮100中已经显示出的前缘22和后缘24、拱弧线26、弦28和叶片角36。翼型的前缘22是首先与周围空气接触的那一部分。后缘24是经过翼型的上表面32的气流与经过翼型的下表面34的气流相汇合的点。弦28是穿过翼型并处于前缘22和后缘24之间的假想直线。拱弧线26顺应着上表面32和下表面34之间的中点。如图3B所示，叶片角36由弦28和假想水平面38相交而形成。

叶片10所产生的升力54垂直于叶弦28。升力是翼型的特征，最好应增大升力以实现有效的叶轮设计。升力54和阻力56的特征很大程度上取决于翼型形状和叶片角36。风扇叶轮100通过增大叶片角36而平衡了背压或阻抗的增加。叶片角36的增加会使升力54增大，直到达到叶片失速点为止，在此时升力下降。在一些实施例中，通过风扇叶轮100可实现最佳的叶片角，从而可避免失速(因叶片角太大而引起)和提升效率不高(因叶片角太小而引起)。

美国国家航空咨询委员会(NACA)曾经收集了一系列用于航空研究和其它工程分析的翼型几何形状并对其进行了分类。美国国家航空咨询委员会成立于1915年，到1958年为止它作为美国安全部的代理机构来运作。各NACA翼型由多项式产生，其表示拱弧线的形状和翼型的厚度。

在图4A-4C中分别显示了三个翼型NACA5404、NACA6404和NACA7404。采用编号系统来分类各翼型。在一个四位翼型中，首位数字(最左边的数字)表示拱弧线的弯曲量(作为翼弦的百分比)。与第一位数字相邻的第二位数字表示作为弦的百分比的弯曲中的最高点的位置。最右边的二位数字表示作为翼弦的百分比的将增加到拱弧线中的厚度值。

对于风扇叶轮100来说，翼型的几何形状、升力系数、阻力系数和叶片的压力分布均基于无限长度的直线机翼。在采用如图4A-4C所示的一种NACA几何形状时，风扇叶轮100的叶片10保持流体似的气流关系，根据一些实施例，这可保证径向结构具有可预测的翼型性能。

叶片失速的消除

上述叶片特征被设计用于风扇叶轮100的有效工作。另外，在风扇叶轮100中的称为叶片失速的状况被减小或消除。在背压或阻抗增加时，叶轮通过增大冲角、因而增大升力来与克服阻抗。然而在一些阻抗下，翼型无法增大升力，导致了脱流。

为了克服这一效应，叶片角在叶轮100中保持为较小，使得减小或消除了脱流(或失速)。脱流是一种在气流不再顺应叶片表面的轮廓时发生的现象。较小的叶片角允许利用整个叶片面积来提升，在一些实施例中，这导致了明显更高性能的叶轮，并降低了噪音的产生。

大多数风扇叶轮的风扇曲线中的“弯曲处”为脱流点(或叶片失速点)。如下所示，风扇叶轮100在其风扇曲线中无弯曲处。相反，叶轮100可从其翼型提升特征方面的初始工作平滑地过渡到更简单的涡流模式，从而能够更有效地工作。

风扇曲线

图5是典型的现有技术风扇叶轮的风扇曲线40的图。风扇曲线40描绘了气流与静压力的关系。风扇可在给定环境下传送一定量的气流和一定的压力。因此，在相对较高的压力下，现有技术的叶轮传送较低的气流，如图5所示。这由风扇曲线40的涡流主导区42示出。当风扇叶轮在涡流主导区42中工作时，轴向气流因背压而减少，同时风扇的转速基本上不变。这使得离开风扇的空气具有较高的涡流速度和较低的轴向速度。

风扇曲线40还包括翼型主导区44。翼型主导区是风扇曲线40上的压力较低而气流较高的部分。当叶轮在翼型主导区44中工作时，气流由此特定速度下的翼型特征决定。一般来说，叶轮将在涡流主导区42和翼型主导区44之间的某处工作，如图5中的过渡区48所示。

风扇曲线40包括位于过渡区48中的弯曲处46，在此处尽管压力下降，相对气流也开始下降。弯曲处46是许多现有技术的风扇的效率开始降低的点，这是因为风扇速度(RPM)增大而压力很少或没有增加，并且气流损耗明显。

风扇叶轮100针对现有技术风扇的效率不足来设计。采用弯曲且重叠的叶片外形中的高升力的翼型形状、光滑的前缘22和叶片沿轮毂的位置，这些均有助于风扇叶轮100的成功，如图6中的风扇曲线60所示。

与现有技术的风扇曲线40相比，叶轮100的风扇曲线60提供了沿曲线始终一致的较高气流速度。另外，风扇曲线60在涡流主导区42和翼型主导区44之间的过渡区中没有可见的弯曲处，或者气流的增加并不对应于静压力的下降。相反，在现有技术的风扇曲线40中明显存在弯曲处46。在风扇叶轮的典型工作区域即风扇曲线60的过渡区48中，可以观察到叶轮性能有明显的提高。

在图7中显示了典型的现有技术风扇的脱流。曲线显示了每分钟转速和每分钟立方英尺之间的关系(RPM对CFM)，其重叠在风扇曲线40上。在风扇曲线40的弯曲处46，速度(RPM)显著地增加，而压力增加得很小，气流存在较大的损耗。

在风扇叶轮100上可以观察到相反的效果，如图8所示。在产生过渡的曲线的点处，速度(RPM)增加得较少。然后在风扇叶轮100继续克服增大的阻抗时，速度降低。风扇叶轮100能够克服进一步增大的阻抗，这是通过从翼型主导操作过渡到涡流主导操作来实现的。

无外壳侧壁

风扇叶轮100未包括外壳侧壁。现有技术的风扇叶轮通常具有外壳，其包围了叶片并为风扇提供了机械结构。风扇外壳侧壁的消除保证了除轴向进气流动路径之外还可得到径向进气流动路径。可同时得到轴向进气流动和径向进气流动允许从翼型主导行为更平滑地过渡到涡流主导行为。

与轴向进气风扇叶轮通常所发生的相比，径向进气在叶片10上流过更大的距离。在风扇叶轮100中，进气沿对角线流过叶片10。这减小了压力梯度(即从进入到离开的气流动量的变化相同，但却施加在增大的长度上)，这可延迟脱流的发生。

另外，取消外壳侧壁可去除任何潜在的寄生阻力，寄生阻力会因侧壁上的边界层而出现在风扇叶片上。此边界层还将阻止流经风扇的空气的运动。

在图9中，风扇叶轮100的立体图显示了叶轮间隙的中间平面。实线箭头显示了叶轮100的涡流主导行为，而虚线箭头显示了翼型主导行为。

工作环境

在一些实施例中，风扇叶轮100用于与散热器组件结合使用，以便在基于处理器的系统中将热量从微处理器或其它发热半导体器件中传出。散热器通常采用风扇来增加散热器和微处理器周围的环境气流。风扇用更冷的外界空气代替了被散热器组件新近加热的空气。因此，风扇通常提高了散热器的效率。

一般来说，用于计算环境中的风扇如与散热器、电源和硬盘驱动器一起使用的风扇的设计并未考虑到风扇叶片的翼型特性。这种忽略使得风扇设计的效率不足且噪音较高。相反，简化制造和减少可动件的数量的考虑通常会影响这些系统中的风扇设计。叶片设计的考虑不足使得风扇工作的效率严重不足。在将效率不足的风扇连接到散热器上时，散热器设计的额定功率最终会受到限制。

对叶片几何形状和翼型原理的考虑使得风扇叶轮100成为可与散热器一起使用的最佳选择。风扇叶轮100还可用于其它的电子冷却环境中，例如具有电源或其它发热电子器件的环境。风扇叶轮100还可以是工业环境如工厂或制造设施的一部分。

虽然已经针对一些有限数量的实施例对本发明进行了介绍，然而本领域的技术人员可以理解，可对其进行许多修改和变化。所附权利要求覆盖了属于本发明的精神实质和范围内的所有这些修改和变化。

Claims

1.一种风扇叶轮，包括：

圆柱形轮毂；和

整体地连接在所述轮毂上并从所述轮毂中延伸出来的叶片，所述叶片包括有翼型形状的截面，后缘和倒圆的前缘，其中所述前缘重叠在相邻叶片的后缘上，其中，所述后缘比所述前缘长50％左右。

2.根据权利要求1所述的风扇叶轮，其特征在于，所述叶片角在20到50度之间。

3.根据权利要求2所述的风扇叶轮，其特征在于，所述叶片角为40度。

4.根据权利要求2所述的风扇叶轮，其特征在于，所述叶片角为30度。